Tema 10. Biología Celular PDF

BIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA CELULAR BLOQUE 3: REGULACIÓN CELULAR Unidad Didáctica 10. Señalización celular. BLOQUE 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 1 Unidad Didáctica 10 ...

BIOLOGÍA CELULAR BIOLOGÍA CELULAR BLOQUE 3: REGULACIÓN CELULAR Unidad Didáctica 10. Señalización celular. BLOQUE 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 1 Unidad Didáctica 10 Guion de la Unidad Didáctica 10 10.1 Moléculas señalizadoras y sus receptores. 10.2 Funciones de los receptores de la superficie celular. 10.3 Vías de transducción intracelular de señales. 10.4 Transducción de señales y citoesqueleto. 10.5 Redes de señalización. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 2 Unidad Didáctica 10  Todas las células reciben señales desde su medio y responden a estas señales Los organismos unicelulares eucariotas y procariotas en gran medida son autónomos. Los organismos pluricelulares ha de regular cuidadosamente su relación con el entorno para satisfacer los requerimientos del organismo como un todo. Moléculas de señalización: secretadas o expresadas en la superficie de las células. Receptores expresados en las células diana individuales que constituyen organismos tan complejos como el ser humano. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 3 Unidad Didáctica 10 Señalización celular Moléculas señalizadoras y sus receptores BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 4 Unidad Didáctica 10  Son muchos los diferentes tipos de moléculas que transmiten información entre células de los organismos pluricelulares Las moléculas señalizadoras difieren en su modo de acción sobre las células diana. Algunas son capaces de atravesar la membrana plasmática y se unen a receptores en el citoplasma o en el núcleo, pero la gran mayoría se une a receptores en la superficie celular. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 5 Unidad Didáctica 10  Tipos de señalización célula a célula La señalización celular tiene lugar bien a través de la interacción directa célula a célula, bien mediante la acción de moléculas señalizadoras secretadas. Integrinas y cadherinas: no juegan solo un papel en la adhesión de las células en la matriz extracelular, si no también como moléculas señalizadoras que regulan la proliferación y supervivencia en respuesta del contacto célula a célula, o célula y matriz extracelular. La células también expresan multitud de receptores de superficie capaces de reconocer a moléculas señalizadores de las células vecinas y que regulan multitud de interacciones intercelulares que se producen durante las distintas etapas del desarrollo embrionario así como en el mantenimiento de los tejidos en el adulto. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 6 Unidad Didáctica 10 Se pueden distinguir tres tipos de señalización en función de la distancia recorrida por la molécula señalizadora Señalización endocrina: las moléculas señalizadoras (hormonas) son secretadas por células endocrinas especializadas y se transportan a través de la circulación, actuando sobre células diana localizadas en logares alejados del organismo. Ej. Los estrógenos (sintetizados en el ovario y llegan a los órganos sexuales femeninos). BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 7 Unidad Didáctica 10  Se pueden distinguir tres tipos de señalización en función de la distancia recorrida por la molécula señalizadora Señalización paracrina: las moléculas señalizadoras actúan localmente afectando el comportamiento de las células próximas (Ej. Neurotransmisores). BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 8 Unidad Didáctica 10 Se pueden distinguir tres tipos de señalización en función de la distancia recorrida por la molécula señalizadora Señalización autocrina: las moléculas señalizadoras actúan sobre las mismas células que las producen (Ej. Tipo de respuesta del sistema inmune de los vertebrados frente antígenos extraños). BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 9 Unidad Didáctica 10  Hormonas esteroideas y superfamilia de receptores de esteroides Las hormonas esteroideas tienen la propiedad de difundir por la membrana plasmática e interaccionar con receptores intracelulares (citoplasma o núcleo), Se sintetizan a partir del colesterol. La testosterona, estrógeno y progesterona son esteroides sexuales producidos por las gónadas. Los corticoesteroides son producidos por la glándula suprarrenal. Incluyen: glucocorticoides que interaccionas en distintos tipos celulares estimulando la producción de glucosa; y los mineralocorticoides que actúan sobre el riñón regulando el equilibrio salino e hídrico. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 10 Unidad Didáctica 10  Hormonas esteroideas y superfamilia de receptores de esteroides La hormona tiroidea se sintetiza a partir de la tirosina en la glándula tiroidea; desempeña un papel importante en el desarrollo y en la regulación del metabolismo. La vitamina D, regula el metabolismo del calcio y el crecimiento del hueso. El ácido retinoico y sus derivados (retinoides), se sintetizan a partir de la vitamina A y juegan un papel importante en el desarrollo de los vertebrados. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 11 Unidad Didáctica 10  Hormonas esteroideas y superfamilia de receptores de esteroides Las hormonas esteroideas son reconocidas por una superfamilia de receptores de esteroides que son factores de transcripción implicados en la unión al ligando, la unión al ADN y la activación de la transcripción. La unión del ligando tiene efectos distintos según los diferentes receptores. Algunos receptores son inactivos en ausencia de hormonas (Ej. Receptor de glucocorticoides, que está unido a la Hsp90 en ausencia de la hormona. Cuando se une el ligando la Hsp90 se desliga y se forma un dímero de receptor con ligando, llega al núcleo y se una a la región promotora del gen diana donde se asocia con una HAT). Otras hormonas se unen directamente al receptor unido al ADN (Ej. Hormona tiroidea). HAT, Histona acetil transferasa; HDAC, Histona deacetilasa. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 12 Unidad Didáctica 10  Hormonas esteroideas y superfamilia de receptores de esteroides Las hormonas esteroideas son reconocidas por una superfamilia de receptores de esteroides que son factores de transcripción implicados en la unión al ligando, la unión al ADN y la activación de la transcripción. La unión del ligando tiene efectos distintos según los diferentes receptores. Algunos receptores son inactivos en ausencia de hormonas (Ej. Receptor de glucocorticoides, que está unido a la Hsp90 en ausencia de la hormona. Cuando se une el ligando la Hsp90 se desliga y se forma un dímero de receptor con ligando, llega al núcleo y se una a la región promotora del gen diana donde se asocia con una HAT). Otras hormonas se unen directamente al receptor unido al ADN (Ej. Hormona tiroidea). HAT, Histona acetil transferasa; HDAC, Histona deacetilasa. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 13 Unidad Didáctica 10  El oxido nítrico (NO) es una molécula señalizadora paracrina fundamental en el sistema nervioso, inmune y circulatorio Difunde directamente a través de la membrana plasmática de las células diana. No se une a ningún receptor, si no que altera la actividad de enzimas diana intracelulares. NOS, óxido nítrico sintasa Una vez sintetizado el NO difunde fuera de la célula y actúa localmente actuando sobre células próximas. Su vida media es de muy pocos segundos. Su principal diana es la guanil ciclasa, que estimula la síntesis del GMP cíclico (segundo mensajero), que induce la relajación de las células musculares y la dilatación de los vasos sanguíneos, mediante la activación de una proteína quinasa dependiente de GMP cíclico (PKG). BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 14 Unidad Didáctica 10  Los neurotransmisores llevan las señales entre las neuronas o desde las neuronas a otras células diana Moléculas pequeñas, hidrofílicas que se unen a receptores celulares de superficie. Se liberan por la llegada de un potencial de acción al terminal de la neurona al espacio sináptico. Muchos de los receptores son canales iónicos regulados por ligando. Otros receptores están acoplados a proteínas G, que a su vez regulan canales iónicos. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 15 Unidad Didáctica 10 Los neurotransmisores llevan las señales entre las neuronas o desde las neuronas a otras células diana BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 16 Unidad Didáctica 10  En animales, las moléculas señalizadoras más diversas son los péptidos Su tamaño oscila desde unos pocos a más de 100 aa. Incluyen: hormonas peptídicas, neuropéptidos y neurohormonas, y factores de crecimiento. No pueden atravesar la membrana plasmática, por lo que actúan a través de receptores de superficie. Por su papel fundamental en multitud de procesos de señalización celular, se ven alterados en muchos procesos patológicos, incluido el cáncer. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 17 Unidad Didáctica 10  El factor de crecimiento epidérmico (EGF) estimula la proliferación celular Polipéptido de 53 aa. Desempeña un papel fundamental en el control de la proliferación celular durante el desarrollo embrionario y en el organismo adulto. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 18 Unidad Didáctica 10  Muchos tipos de lípidos sirven como moléculas señalizadoras que, a diferencia de las hormonas esteroideas, actúan mediante la unión a receptores de superficie celular Eicosanoides: son los más representativos de estos lípidos señlizadores. Incluyen: prostaglandinas, prostaciclína, tromboxanos y leucotrienos. Se hidrolizan rápidamente, por lo que actúan localmente por vías autocrinas y paracrinas. COX LOX Estimulan funciones como la agregación plaquetaria, inflamación y contracción del músculo liso. Todos se sintetizan a partir del ácido araquidónico, derivado de los fosfolípidos por acción de la fosfolipasa A2 (PLA2). La transformación del ácido araquidónico está mediado por la lipooxigenasa (LOX) y la ciclooxigenasa (COX). COX es diana de la aspirina y otros antiinflamatorios no esteroideos. La inhibición de COX disminuye la inflamación, reduce la agregación plaquetaria y la coagulación. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 19 Unidad Didáctica 10 Señalización celular Señalización de proteínas G y AMP cíclico BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 20 Unidad Didáctica 10  Receptores de superficie: canales iónicos dependientes de ligando, receptores con actividad enzimática, que inician el proceso de transducción de señales intracelular. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 21 Unidad Didáctica 10 La familia más numerosa de receptores de la superficie celular transmite las señales al interior de la célula a través de proteínas que unen nucleótidos de guanina, denominadas proteínas G. Se han identificado más de mil receptores asociados a proteínas G: Incluyen muchos receptores de hormonas y neurotransmisores. Constituyen un grupo de proteínas relacionadas funcional y estructuralmente, caracterizados por tener 7 hélices  atravesando la membrana. La unión del ligando al receptos induce un cambio conformacional que permite al dominio citosólico activar una proteína G unida a la cara interna de la membrana plasmática. La proteína G activada se disocia del receptor y transmite la señal a una diana intracelular, que puede ser una enzima o un canal iónico. Estructura de un receptor asociado a proteínas G. Tienen 7 hélices  atravesando la membrana. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 22 Unidad Didáctica 10 La familia más numerosa de receptores de la superficie celular transmite las señales al interior de la célula a través de proteínas que unen nucleótidos de guanina, denominadas proteínas G. El genoma humano Activación de la adenilato ciclasa. codifica para 21 subunidades , 6 subunidades  y 12 subunidades  diferentes. La combinación de las distintas subunidades hace que estas proteínas tengan especificidad por receptores específicos. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 23 Unidad Didáctica 10  Regulación de las proteínas G 1 Las proteínas G son proteínas heterodiméricas 2 constituidas por tres subunidades: ,  y . La subunidad  se une al 4 GDP que regulan la actividad de la proteína G. La subunidad  se inactiva por la hidrólisis del GTP unido a ella, estimulada por las proteínas RGS (regulador de señalización de proteínas G), que actúan como proteínas de activación de la GTPasa (GAP). https://youtu.be/ByiTyMLW56k 3 BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 24 Unidad Didáctica 10 Vía del AMPc: segundos mensajeros y fosforilación de proteínas El AMPc se forma a partir de ATP por la acción de la adenilato ciclasa (estimulada por la proteína G) y se degrada a AMP por la acción de la AMP fosfodiesterasa. La mayor parte de los efectos del AMPc en las células animales está mediado por la acción de la proteína quinasa dependiente de AMPc o proteína quinasa A. Las subunidades catalíticas, una vez liberadas, tienen capacidad para fosforilar residuos de Ser en sus proteínas diana. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 25 Unidad Didáctica 10 Vía del AMPc: segundos mensajeros y fosforilación de proteínas Regulación del metabolismo del glicógeno por la epinefrina. EPINEFRINA o adrenalina, es una hormona y un neurotransmisor. Incrementa la frecuencia cardíaca, contrae los vasos sanguíneos, dilata los conductos de aire, y participa en la reacción de lucha o huida del sistema nervioso simpático. A su vez, la proteína quinasa A fosforila e inhibe la enzima glicógeno sintasa, que cataliza la síntesis de glicógeno. Cada molécula de epinefrina activa a un único receptor. Cada receptor puede activar a 100 moléculas de proteínas G. Cada molécula G activa a la adenilato ciclasa, que cataliza la síntesis de muchas moléculas de AMPc. La señal continua amplificándose a través de los sucesivos efectores, por lo tanto, la unión de la hormona a un pequeño número de receptores da lugar a la activación de un número mucho mayor de enzimas dianas intracelulares. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 26 Unidad Didáctica 10 El aumento de AMPc también activa la transcripción de genes diana que contienen una secuencia reguladora denominada elemento de respuesta al AMPc o CRE En este caso, la señal desde el citoplasma hasta el núcleo la lleva la subunidad catalítica de la proteína quinasa A. En el núcleo activa mediante fosforilación a un factor de transcripción denominado CREB (proteína de unión a CRE). Este tipo de regulación de la expresión génica a través de AMPc desempeña un papel importante en el control de la proliferación, la supervivencia y la diferenciación. El grado de fosforilación que presentan los sustratos de la proteína quinasa A depende del equilibrio entre la actividad intracelular de la proteína quinasa A y de las proteínas fosforilasas. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 27 Unidad Didáctica 10  El GMP cíclico (GMPc) también es un segundo mensajero Sintetizado a partir de GTP por la guanilato ciclasa y degradado a GMP por una fosfodiesterasa. Las guanil ciclasas pueden activarse por ligandos peptídicos, óxido nítrico y monóxido de carbono. Papel del GMPc en la fotorrecepción (bastones del ojo). La absorción de luz por parte del retinal activa al receptor asociado a la proteína G rodopsina. La subunidad  de la transducina se disocia de las subunidad  y activa a la GMPc fosfodiesterasa, lo que lleva a que disminuya el nivel intracelular de GMPc. La disminución del GMPc en los bastones se traduce en un impulso nervioso debido a la acción del GMPc sobre los canales iónicos de la membrana. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 28 Unidad Didáctica 10 Señalización celular Tirosina quinasas y señalización por las vías de las quinasas MAP, las PI3-quinasas y la fosfolipasa C/calcio BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 29 Unidad Didáctica 10 La familia más grande de receptores acoplados a enzimas son los receptores tirosina quinasas (RTK) Fosforilan un residuo de Tyr de la proteína diana. El genoma codifica para 58 RTK. La mayoría de los RTK están constituidos por un único polipéptido. El receptor de la insulina y familia relacionada, está constituido por dos pares de cadenas polipeptídicas ( y ). La unión del ligando activa el dominio quinasa citosólico dando lugar a la fosforilación del propio receptor y a las proteínas diana intracelulares. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 30 Unidad Didáctica 10  El primer paso de la señalización en la mayoría de los RTK es la dimerización del receptor inducida por ligando La dimerización inducida por ligando conduce a la autofosforilación del receptor. La fosforilación de los residuos Tyr del dominio catalítico del RTK incrementa la actividad quinasa del RTK. La fosforilación de residuos de Tyr que no forman parte del sitio catalítico de la quinasa constituyen sitios de unión específicos para otras proteínas, a través de las cuales se transmitirá la señal de transducción intracelular. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 31 Unidad Didáctica 10  La asociación de estas moléculas con los RTK se lleva a cabo a través de dominios SH2 Los dominios SH2 reconocen Tyr fosforiladas que no forman parte del sitio catalítico del RTK. Los dominio SH2 se componen de 100 aa. aprox. Y se unen específicamente a secuencias polipeptídicas que contienen las Tyr fosforiladas. La asociación de estas proteínas con los RTK fosforilados supone el primer paso en la transmisión de señales intracelulares, que comenzó con la unión de los factores de crecimiento (ligandos) a la superficie celular. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 32 Unidad Didáctica 10  Otros receptores no contienen actividad TK pero estimulan TK a las que no están unidas covalentemente 1. Se une el ligando al receptor que se encuentra asociado a una TK y se produce la dimerización Estos no-TKR incluyen miembros de receptores que comprenden los receptores para la mayor parte de 2. Las TK se fosforilan de citoquinas (eritropoyetina e interleukina-2) y forma entrecruzada receptores de algunas hormonas polipeptídicas (hormona del crecimiento). Estos no-TKR se asocian TK no receptoras, las cuales son activadas por la unión del ligando al receptor. 3. Fosforilan a residuos de Tyr que supondrá sitios de unión para moléculas de señalización intercelular con dominios SH2. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 33 Unidad Didáctica 10  Vía JAK/STAT Las quinasas asociadas a receptores de citoquinas pertenecen a la familia quinasas de Janus o JAK. Las dianas de las quinasas JAK son las proteínas STAT (transductores de señales y activadores de transcripción). Las proteínas STAT forman una familia de 7 factores de transcripción que contienen dominios SH2. Las proteínas STAT unidas al receptor son fosforiladas par las JAK quinasas. La fosforilación promueve la dimerización de las STAT, que a continuación se translocan al núcleo donde actúan como factores de transcripción de los genes diana implicados en la división, supervivencia, activación y reclutamiento de células inmunes. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 34 Unidad Didáctica 10  Señalización de integrinas Las interacciones de la célula con la matriz extracelular también desencadena una cascada de señalización intracelular (diferenciación, proliferación, crecimiento). La unión de integrinas a la matriz extracelular lleva a la agrupación de integrinas y a la activación del no-TKR FAK (quinasa de adhesión focal) por autofosforilación. A continuación Scr (una no-TKR que forma parte de una familia de otros 8 miembros estrechamente relacionados) se une al sitio de fosforilación de FAK y fosforila FAK en residuos de Tyr adicionales, que actúan como puntos de unión de otras proteínas de señalización. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 35 Unidad Didáctica 10  Vía de las quinasas MAP y proteína Ras La vía de las quinasas MAP es una cascada de de proteínas quinasas altamente conservada en la evolución y desempeña un papel central en la transducción de señales en células eucariotas. Los elementos centrales de esta vía son: una familia de proteínas-Ser/Thr quinasas denominada quinasas MAP (proteínas quinasas activadas por mitógenos), fundamentalmente son reguladores ubicuos del crecimiento y de la diferenciación celular. Un miembro de esta familia es la familia ERK (quinasas reguladas por señales extracelulares). Las proteínas Ras son proteínas de unión a nucleótidos de guanina, alternando entre formas GDP inactivas y GTP activas. La activación de Ras está mediada por factores de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF), inducen la liberación de GDP y su intercambio por GTP. Ras se inactiva por la hidrólisis del GTP por la interacción Ras-GTP con proteínas activadoras de la GTPasa (GAP). BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 36 Unidad Didáctica 10  La activación de Ras está mediada por TKR El factor de crecimiento que se une al RTK produce la autofosforilación y formación de sitios de unión para dominios SH2 de un factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF). Esta interacción recluta el GEF en la membrana plasmática donde se puede estimular el intercambio de Ras GDP/GTP. El complejo Ras-GTP activado se une a continuación a la proteína quinasa Raf, lo cual lleva a su activación. Raf fosforila y activa a MEK, una proteína quinasa de especialidad dual que activa la ERK por la fosforilación en los residuos Thr-183 y Tyr-185. ERK a continuación fosforila diversas proteínas citoplásmicas y nucleares. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 37 Unidad Didáctica 10 Inducción de los genes tempranos inmediatos por ERK La ERK activada se transloca la núcleo, donde fosforila al factor de transcripción Elk-1. Elk-1 se une al elemento de respuesta al suero (SRE) formando un complejo con el factor de respuesta al suero (SRF). La fosforilación estimula la actividad de Elk-1 como activador de la transcripción, induciendo los genes tempranos inmediatos. Muchos genes tempranos codifican a su vez factores de transcripción que desencadenan la expresión de genes de respuesta secundaria. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 38 Unidad Didáctica 10  Cada cascada de quinasas MAP está constituida por tres niveles de quinasas Una MAP quinasa terminal y dos quinasas análogas a Raf y MEK. MAP-ERK en respuesta de factores de crecimiento. MAP-JNK y MAP-p38 en respuesta a citoquinas inflamatorias y estrés celular. Al igual que ERK, las MAP quinasas JNK y p38 pueden translocarse al núcleo y fosforilar factores de transcripción que regulan la expresión génica. En todos los tipos de células eucariotas actúan múltiples vías de quinasas MAP que controlan las respuestas celulares a las diversas señales ambientales. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 39 Unidad Didáctica 10  La especificidad de la señalización de las MAP quinasas se mantiene por la organización de los componentes cada cascada de MAP quinasas en complejos que están asociados a proteínas scaffold Estas proteínas scaffold organian complejos de moléculas señalizadoras. La proteína scaffold KSR, organiza a ERK y sus factores activadores situados corriente arriba, Raf y MEK en eun complejo de señalización. Existen diferentes proteínas scaffold están implicadas en otras moléculas señalizadoras, no solo las MAP quinasas. BLOQUE III: REGULACIÓN CELULAR 40 Unidad Didáctica 10